公路智能隧道監控系統設計方案
一、系統概述
隨著我國經濟的快速發展，公路及公路隧道的建設項目與日俱增，隧道安全運營問題顯得越來越突出，除隧道本身的土建施工質量外，隧道的監視與控制管理成為公路隧道安全正常運行的重要課題。從60年代開始，國外就相繼開始研究先進的隧道控制系統，歐洲、美國、日本等西方發達國家先后開發了相應的隧道控制系統，隨著計算機技術、圖像處理技術、通訊技術、控制技術的發展，以太網技術和總線技術突破了原有的技術瓶頸，使隧道的監視與控制系統高速信息共享成為可能。
本文針對隧道運營中的通風，照明、火災、環境、供電、事故監視、車道引導、交通信息采集等功能的需求，設計了一種基于Ethernet和總線技術的先進控制系統。
系統釆用西門子PLC可編程控制器作為控制中心，Profibus總線完成控制信息級與控制中心的通訊，控制中心與外界的通訊用以太網完成，用視頻檢測技術完成對隧道的交通信息及安全監視與控制，系統功能完備，集成度高，系統包括可變情報板、照明、通風、閉路電視、火災 檢測與報警、電話緊急呼救、中央管理與控制、環境監測、交通信息檢測與誘導、供電消防防雷及接地等十個子系統，并集中在大屏幕系統中顯示操作畫面，可以完成：
●CO、SO、NO、等的監測、可見度及風速測量、通風系統控制
●供電、火警、緊急電話的控制、水泵控制
●事故視頻監測及報警指示、隧道和車道的關／開、限速指示
●高度控制、照明系統控制、車道引導、SOS(語音提示)
●交通數據測量(計數，車道占有率、車輛分類、車速測量等)
二、系統組成及系統結構設計
系統設計采用雙環光纜冗余結構的工業以太網結構為主干通訊控制網絡，速率lO-lOOMb／s，控制部分釆用Profibus總線網絡與各子站通信，速率最大12Mb／s，管理部分釆用以太網連接大屏幕、公路MIS、GIS、GPS、收費系統及各監視操作站，，速率10-100Mb／s，實現信息的共享：模塊化結構，WINCC友好中文人機界面，方便的人機對話模式，是世界各國普遍采用和認可的領先的設計方式。
三、系統的功能設計
1、指揮中心
采用2個冗余的服務器結構，雙機熱備，保證數據的真實性與完整性，對所有的系統數據進行實時生成、管理、分配及綜合凋度；利用Profibus控制總線與子站通訊，利用冗余的光纖環網與中央控制器通訊；利用以太網與公路的主控系統或MIS、GIS、GPS、收費系統等通訊；同時利用以太網將系統的運行狀態送入LCD大屏幕進行顯示，大屏幕控制器采用分時畫面分割功能輪換顯示視頻檢測器傳入的隧道運行的交通監控圖像信息和交通數據（車速、車流量、占有率等），發現交通事故以聲、光兩種方式報警，同時回放事故錄像，對停車系統、電話系統、呼救系統、消防火警系統作出相應的聯鎖響應；電力監測；CO、S02、N02等污染物的監測；可見度、能見度及風速、風量測量；地下水位、通風系統控制；水泵控制；照明的控制；報警控制；車刀的開啟控制；視頻檢測及呼救電話控制；電話通信；報警及報表的打印等。
系統提供西門子WINCC組態及監控軟件包，可以實現系統的監控組態、控制組態、操作組態、畫面組態等功能。實現任意圖形、曲線、報表的生成；動態畫面組態支持系統內的各種數據，包括實時監測數據、歷史數據、人工錄入等，可以打印輸出。
WINCC系統監控軟件是世界上最開放、應用最廣泛的優秀軟件之一、系統基于WINDOWS NT平臺，有良好的兼容性、準確性和可靠性。本身也不存在2000年問題。支持各種軟件標準如：DDE、OLE、ACTIVEX、ODBC、TCP／IP、OPC等，作為共享基礎，并提供了進行二次開發的工具和手段，以便生成完全滿足要求的監控系統。WINCC充分釆用客戶/服務器的體系結構，使得監控系統能夠提供數據在網絡上的集成和共享，提高性能減低成本。除完成包括實時／歷史趨勢、報警、畫面編輯、報表、關系數據庫直接組態登錄的基本功能外，還有多項選擇功能。
WINCC上位機監控軟件釆用當今世界先進技術、系統的配置和畫面組態方便、系統結構靈活和開放，運行WINDOWSNT95／98平臺，通過策略和畫面組態在上位機上實現對工業控制系統的監視和控制，具有動態畫面、事件觸發、報警、趨勢、報表輸出，歷史數據存儲等功能，能體現良好的通用性、靈活性、開放性、可靠性和性能價格比，有中文操作模式。
能夠進行中文畫面組態。
2、操作站
監視系統運行；隧道當前狀態顯示；綜合或分類信號切換；信息顯示、存貯；數據保存、記錄；用戶管理；交通控制；照明控制；緊急電話控制；高度控制；視頻監視；火災報警等。操作站畫面顯示包括：電源分布及使用參數顯示／照明系統顯示／通風系統顯示／監控系統顯示／泵站顯示／交通信息顯示／交通視頻圖像顯示／報警畫面／呼救畫面／專業設備的運行狀態／隧道的總貌圖等。
按權限進行相應的操作、修改等。
3、管理站
按照操作權限，根據隧道運行情況，及時調整隧道運行參數和控制參數，對系統的資源、通訊和設備進行設定、修改等。
4、可變情報板
指揮中心可以根據當時的情況編輯和發送交通信息、運營指令、路況資料、報警信息等多幅信息循環播放顯示，同時在大屏幕上進行循環顯示。
5、照明車高系統
利用檢測儀器，監測洞口及洞內的可見度(霧)及能見度，根據不同的情況打開或關閉不同的照明燈和霧燈及其數量，保證車輛通行的正常照明，并在操作站及大屏幕上顯示照明燈的狀態。
對進入隧道的車輛的車高進行紅外線測量，發現其高度超出隧道的設置許可，配合停車收費系統及車牌識別系統，啟動語音系統電話系統，視頻檢測系統，對車輛的禁止駛入進行語音報警提示，用停車系統對違章駛入的車輛進行有效的控制。
6、通風系統
通風是保證行車安全的重要一點，系統采用環境污染檢測儀測量隧道的CO、S02等污染物的含量，采用風速測量儀表測量風速，壓力變速器測量隧道的壓力，并將所有4-20MA信號送人控制站，根據優化的隧道運行參數，決定自動風機的開或關，車道的開或關。
7、緊急電話及呼救系統
對火災、交通事故，采用熱線方式，直通計算機主機，并進行聲光報警，警察接到報警后立即響應；同時視頻檢測器24小時監測隧道的運行情況，指揮中心對隧道的發生事故通過圖像及時記錄與回放，也可以在幾分鐘內了解情況，及時通過電話和語音進行報警和提示，及時處理。
8、視頻檢測系統
包括交通數據的采集、電視監控兩部分，全天候監視隧道的運行狀態，自動記錄交通事故及事故自動回放，根據該系統的檢測和監視情況自動或手動發布交通信息、決定車道的開、關，信號燈的紅與綠，自動計算車道的擁擠度，自動打開或關閉車道。
9、火災報警系統
包括SOS等，備有火災等事故自動和手動報警器，當報警時執行關閉隧道、打開風機和照明、啟動消防水泵等動作。
10、信號燈控制系統
由控制站通過接收其他系統的指令決定系統的信號燈的開關及時間的長短，運行的狀態。
11、車位引導系統
采用超聲波車位傳感器，對車位進行檢測，并將信號傳人控制站，控制站對LCD指示牌發出指令，對車輛的行車路線進行引導。并在操作站顯示。
12、水位水泵控制
利用液位儀表對水道的積水進行檢測發現水位超出隧道運行條件，自動啟動排水泵進行排水。
另外，當視頻系統和火災報警發現某區域火災時，系統自動啟動該區域隧道每30-50米一個的定位消防泵，打開萬向高壓水頭，進行救火。
13、電力監測
系統釆用電力綜合監測儀，對電力的分布、設備的用電情況(電壓、電流、功耗等)、系統總能耗等進行監測，控制電源的開、關等。
14、相關功能的連鎖控制。
四、系統主要設備
1、PLC控制器及通訊模塊，目前主要有西門子SIEMENS、羅克韋爾AB、施耐德SCHINDLER、通用電氣GE等公司的PLC產品。
2、視頻檢測器，目前主要有西門子SIEMENS、費路通FLOWTRAFFIC等公司的產品。
3、污染檢測器，目前主要有西門子SIEMENS、日電DKK、E+H等公司的產品。
4、LED信號燈及控制器，目前主要有西門子SIEMENS、京安、荷蘭等。
5、車輛線圈檢測器，產品比較普遍。
6、工業控制計算機，HP、IBM NEC、DELL等公司生產的高品質的工業PC機，另配3COM／D-LINK等公司的以太網卡。
7、背投式LCD大屏幕顯示系統，目前有BARCO、JUPITER、CLARITY、 ELECTROSONIC、SONY、PHLIPS等公司生產的拼圖控制器和屏幕。
8、能見度及可見度檢測儀，比較普遍產品。
9、緊急呼救電話設備，主要廠商有西門子、ISS等。
10、報警器、水泵、風機、照明燈等，比較普遍。
11、中文監控軟件，主要有WINCC、FIX、組態王等。
五、系統的應用
由于系統采用以太網和總線結構，是標準開放式、模塊化的系統，所以系統大小可以任意的變化，第三方設備可以方便接入，系統的擴展比較靈活，在停車管理系統中增加收費功能即可實現不停車收費或自動收費，可廣泛用于公路隧道的管理與控制，完成諸如視頻檢測、電視監控、照明、報警、緊急救援、車道引導、不停車收費、通風、環境檢測、事故監視與記錄等功能。
六、結束語
該系統的優越性體現在采用國際通用的以太網和PROFIBUS總線技術，使過去比較復雜的子系統與主系統之間的信息交換及通訊簡單化，同時采用高可靠性的PLC及其檢測設備，保證系統無故障運行時間顯著增加，針對現場條件，制定完善控制方案和靈活的控制策略，類似結構的系統在國外和國內均有不同的應用。
隨著我國經濟的快速發展，公路及公路隧道的建設項目與日俱增，隧道安全運營問題顯得越來越突出，除隧道本身的土建施工質量外，隧道的監視與控制管理成為公路隧道安全正常運行的重要課題。從60年代開始，國外就相繼開始研究先進的隧道控制系統，歐洲、美國、日本等西方發達國家先后開發了相應的隧道控制系統，隨著計算機技術、圖像處理技術、通訊技術、控制技術的發展，以太網技術和總線技術突破了原有的技術瓶頸，使隧道的監視與控制系統高速信息共享成為可能。
本文針對隧道運營中的通風，照明、火災、環境、供電、事故監視、車道引導、交通信息采集等功能的需求，設計了一種基于Ethernet和總線技術的先進控制系統。
系統釆用西門子PLC可編程控制器作為控制中心，Profibus總線完成控制信息級與控制中心的通訊，控制中心與外界的通訊用以太網完成，用視頻檢測技術完成對隧道的交通信息及安全監視與控制，系統功能完備，集成度高，系統包括可變情報板、照明、通風、閉路電視、火災 檢測與報警、電話緊急呼救、中央管理與控制、環境監測、交通信息檢測與誘導、供電消防防雷及接地等十個子系統，并集中在大屏幕系統中顯示操作畫面，可以完成：
●CO、SO、NO、等的監測、可見度及風速測量、通風系統控制
●供電、火警、緊急電話的控制、水泵控制
●事故視頻監測及報警指示、隧道和車道的關／開、限速指示
●高度控制、照明系統控制、車道引導、SOS(語音提示)
●交通數據測量(計數，車道占有率、車輛分類、車速測量等)
二、系統組成及系統結構設計
系統設計采用雙環光纜冗余結構的工業以太網結構為主干通訊控制網絡，速率lO-lOOMb／s，控制部分釆用Profibus總線網絡與各子站通信，速率最大12Mb／s，管理部分釆用以太網連接大屏幕、公路MIS、GIS、GPS、收費系統及各監視操作站，，速率10-100Mb／s，實現信息的共享：模塊化結構，WINCC友好中文人機界面，方便的人機對話模式，是世界各國普遍采用和認可的領先的設計方式。
三、系統的功能設計
1、指揮中心
采用2個冗余的服務器結構，雙機熱備，保證數據的真實性與完整性，對所有的系統數據進行實時生成、管理、分配及綜合凋度；利用Profibus控制總線與子站通訊，利用冗余的光纖環網與中央控制器通訊；利用以太網與公路的主控系統或MIS、GIS、GPS、收費系統等通訊；同時利用以太網將系統的運行狀態送入LCD大屏幕進行顯示，大屏幕控制器采用分時畫面分割功能輪換顯示視頻檢測器傳入的隧道運行的交通監控圖像信息和交通數據（車速、車流量、占有率等），發現交通事故以聲、光兩種方式報警，同時回放事故錄像，對停車系統、電話系統、呼救系統、消防火警系統作出相應的聯鎖響應；電力監測；CO、S02、N02等污染物的監測；可見度、能見度及風速、風量測量；地下水位、通風系統控制；水泵控制；照明的控制；報警控制；車刀的開啟控制；視頻檢測及呼救電話控制；電話通信；報警及報表的打印等。
系統提供西門子WINCC組態及監控軟件包，可以實現系統的監控組態、控制組態、操作組態、畫面組態等功能。實現任意圖形、曲線、報表的生成；動態畫面組態支持系統內的各種數據，包括實時監測數據、歷史數據、人工錄入等，可以打印輸出。
WINCC系統監控軟件是世界上最開放、應用最廣泛的優秀軟件之一、系統基于WINDOWS NT平臺，有良好的兼容性、準確性和可靠性。本身也不存在2000年問題。支持各種軟件標準如：DDE、OLE、ACTIVEX、ODBC、TCP／IP、OPC等，作為共享基礎，并提供了進行二次開發的工具和手段，以便生成完全滿足要求的監控系統。WINCC充分釆用客戶/服務器的體系結構，使得監控系統能夠提供數據在網絡上的集成和共享，提高性能減低成本。除完成包括實時／歷史趨勢、報警、畫面編輯、報表、關系數據庫直接組態登錄的基本功能外，還有多項選擇功能。
WINCC上位機監控軟件釆用當今世界先進技術、系統的配置和畫面組態方便、系統結構靈活和開放，運行WINDOWSNT95／98平臺，通過策略和畫面組態在上位機上實現對工業控制系統的監視和控制，具有動態畫面、事件觸發、報警、趨勢、報表輸出，歷史數據存儲等功能，能體現良好的通用性、靈活性、開放性、可靠性和性能價格比，有中文操作模式。
能夠進行中文畫面組態。
2、操作站
監視系統運行；隧道當前狀態顯示；綜合或分類信號切換；信息顯示、存貯；數據保存、記錄；用戶管理；交通控制；照明控制；緊急電話控制；高度控制；視頻監視；火災報警等。操作站畫面顯示包括：電源分布及使用參數顯示／照明系統顯示／通風系統顯示／監控系統顯示／泵站顯示／交通信息顯示／交通視頻圖像顯示／報警畫面／呼救畫面／專業設備的運行狀態／隧道的總貌圖等。
按權限進行相應的操作、修改等。
3、管理站
按照操作權限，根據隧道運行情況，及時調整隧道運行參數和控制參數，對系統的資源、通訊和設備進行設定、修改等。
4、可變情報板
指揮中心可以根據當時的情況編輯和發送交通信息、運營指令、路況資料、報警信息等多幅信息循環播放顯示，同時在大屏幕上進行循環顯示。
5、照明車高系統
利用檢測儀器，監測洞口及洞內的可見度(霧)及能見度，根據不同的情況打開或關閉不同的照明燈和霧燈及其數量，保證車輛通行的正常照明，并在操作站及大屏幕上顯示照明燈的狀態。
對進入隧道的車輛的車高進行紅外線測量，發現其高度超出隧道的設置許可，配合停車收費系統及車牌識別系統，啟動語音系統電話系統，視頻檢測系統，對車輛的禁止駛入進行語音報警提示，用停車系統對違章駛入的車輛進行有效的控制。
6、通風系統
通風是保證行車安全的重要一點，系統采用環境污染檢測儀測量隧道的CO、S02等污染物的含量，采用風速測量儀表測量風速，壓力變速器測量隧道的壓力，并將所有4-20MA信號送人控制站，根據優化的隧道運行參數，決定自動風機的開或關，車道的開或關。
7、緊急電話及呼救系統
對火災、交通事故，采用熱線方式，直通計算機主機，并進行聲光報警，警察接到報警后立即響應；同時視頻檢測器24小時監測隧道的運行情況，指揮中心對隧道的發生事故通過圖像及時記錄與回放，也可以在幾分鐘內了解情況，及時通過電話和語音進行報警和提示，及時處理。
8、視頻檢測系統
包括交通數據的采集、電視監控兩部分，全天候監視隧道的運行狀態，自動記錄交通事故及事故自動回放，根據該系統的檢測和監視情況自動或手動發布交通信息、決定車道的開、關，信號燈的紅與綠，自動計算車道的擁擠度，自動打開或關閉車道。
9、火災報警系統
包括SOS等，備有火災等事故自動和手動報警器，當報警時執行關閉隧道、打開風機和照明、啟動消防水泵等動作。
10、信號燈控制系統
由控制站通過接收其他系統的指令決定系統的信號燈的開關及時間的長短，運行的狀態。
11、車位引導系統
采用超聲波車位傳感器，對車位進行檢測，并將信號傳人控制站，控制站對LCD指示牌發出指令，對車輛的行車路線進行引導。并在操作站顯示。
12、水位水泵控制
利用液位儀表對水道的積水進行檢測發現水位超出隧道運行條件，自動啟動排水泵進行排水。
另外，當視頻系統和火災報警發現某區域火災時，系統自動啟動該區域隧道每30-50米一個的定位消防泵，打開萬向高壓水頭，進行救火。
13、電力監測
系統釆用電力綜合監測儀，對電力的分布、設備的用電情況(電壓、電流、功耗等)、系統總能耗等進行監測，控制電源的開、關等。
14、相關功能的連鎖控制。
四、系統主要設備
1、PLC控制器及通訊模塊，目前主要有西門子SIEMENS、羅克韋爾AB、施耐德SCHINDLER、通用電氣GE等公司的PLC產品。
2、視頻檢測器，目前主要有西門子SIEMENS、費路通FLOWTRAFFIC等公司的產品。
3、污染檢測器，目前主要有西門子SIEMENS、日電DKK、E+H等公司的產品。
4、LED信號燈及控制器，目前主要有西門子SIEMENS、京安、荷蘭等。
5、車輛線圈檢測器，產品比較普遍。
6、工業控制計算機，HP、IBM NEC、DELL等公司生產的高品質的工業PC機，另配3COM／D-LINK等公司的以太網卡。
7、背投式LCD大屏幕顯示系統，目前有BARCO、JUPITER、CLARITY、 ELECTROSONIC、SONY、PHLIPS等公司生產的拼圖控制器和屏幕。
8、能見度及可見度檢測儀，比較普遍產品。
9、緊急呼救電話設備，主要廠商有西門子、ISS等。
10、報警器、水泵、風機、照明燈等，比較普遍。
11、中文監控軟件，主要有WINCC、FIX、組態王等。
五、系統的應用
由于系統采用以太網和總線結構，是標準開放式、模塊化的系統，所以系統大小可以任意的變化，第三方設備可以方便接入，系統的擴展比較靈活，在停車管理系統中增加收費功能即可實現不停車收費或自動收費，可廣泛用于公路隧道的管理與控制，完成諸如視頻檢測、電視監控、照明、報警、緊急救援、車道引導、不停車收費、通風、環境檢測、事故監視與記錄等功能。
六、結束語
該系統的優越性體現在采用國際通用的以太網和PROFIBUS總線技術，使過去比較復雜的子系統與主系統之間的信息交換及通訊簡單化，同時采用高可靠性的PLC及其檢測設備，保證系統無故障運行時間顯著增加，針對現場條件，制定完善控制方案和靈活的控制策略，類似結構的系統在國外和國內均有不同的應用。
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